Reducción electroquímica de CO2 a productos de interés

Abstract

RESUMEN: El dióxido de carbono (CO2), con una concentración actual en la atmósfera de 415 ppm, está considerado como el principal gas de efecto de invernadero cuya consecuencia directa es el cambio climático. Este fenómeno se debe principalmente a factores antropogénicos tales como la obtención de energía procedente de combustibles fósiles y los medios de transporte. Para evitar que el cambio climático sea irreversible y en línea con los Objetivos del Desarrollo Sostenible, establecidos por las Naciones Unidades, se debe limitar el incremento de las emisiones de CO2 a la atmósfera, a través de la promoción de sistemas de almacenamiento, captura y utilización de carbono (CCSU, por sus siglas en inglés). En particular, la electroreducción de CO2 a productos de interés es una opción prometedora para contribuir tanto a la reducción de las emisiones a la atmósfera como para almacenar energía procedente de fuentes intermitentes y renovables en forma de productos químicos de alto valor añadido en el mercado. En este contexto, el principal objetivo del presente Trabajo Fin de Grado es realizar una profunda revisión bibliografía de los procesos de electrorreducción de CO2 con el fin de conocer las principales variables del proceso tales como el pH, temperatura, presión y densidad de corriente, así como su influencia y los principales productos de interés (ácido fórmico o formiato, metanol, etileno, entre otros) que se obtienen, analizando las correspondientes eficiencias de los procesos. Como resultado, tras la revisión de más de 70 artículos científicos se han establecido las distintas influencias de las variables, así como los electrocatalizadores utilizados en los procesos de conversión de CO2 por vía electroquímica, haciendo especial hincapié en qué materiales y condiciones son los más adecuados para obtener los productos. En este sentido, se ha podido observar que un aumento de la densidad de corriente provoca caidas en la eficiencia faradaica hacia la obtención de los productos deseados, mientras que otros como la presión, provocan un incremento de esta figura de mérito. Por otra parte, en cuanto al empleo de los electrocatalizadores, la mayor parte de los estudios que trabajan con materiales basados en Hg, Pb, In, Sn y Bi, obtienen ácido fórmico o formiato como principal producto, consiguiendo buenos resultados en términos de eficiencia faradaica y velocidad de producción. Sin embargo, también se ha hecho hincapié en el estudio de otros materiales como Ag o Au, que incrementan la selectividad hacia monóxido de carbono así como aquellos catalizadores basados en Al que no muestran una gran actividad en el proceso de conversión electroquímica de CO2 a productos de interés.

ABSTRACT: Carbon dioxide (CO2), with a current concentration in the atmosphere of 415 ppm, is considered the main greenhouse gas whose direct consequence is climate change. This phenomenon is mainly due to anthropogenic factors, such as the production of energy from fossil fuels and the means of transport. In order to prevent climate change from becoming irreversible and according to the Sustainable Development Goals, established by the United Nations, the increase in CO2 emissions into the atmosphere should be limited through the promotion of the carbon storage, capture and utilization systems (CCSU). In particular, the electroreduction of CO2 to value-added products is a promising strategy to contribute both to the reduction of emissions into the atmosphere and simultaneously, to store energy from intermittent and renewable sources in the form of chemical products. In this context, the main objective of this Final Degree Project is to carry out a review of the literature, focusing on CO2 electroreduction processes to know the main variables in the process, such as the pH the temperature, the pressure and the current density, as well as their influence and the chemical products (formic acid or formate, methanol, ethylene, among others) that are obtained, assessing the corresponding efficiencies of the processes. As a result, after reviewing more than 70 scientific articles, the different influences of variables have been established, as well as the electrocatalysts used in the processes of conversion of CO2 by electrochemical reduction, with a special emphasis on which materials and conditions are most suitable to obtain the products. In this sense, it has been observed that an increment in the current density leads in a drop in the Faradaic efficiency towards chemical products, while increasing the pressure enhances this figure of merit. Regarding the employ of electrocatalysts, a large number of studies working with catalysts based on Hg, Pb, In, Sn and Bi, obtained formic acid or formate as the main product, achieving successful outcomes in terms of faradaic efficiency and rates. Nevertheless, the employ of other electrocatalysts, such as Ag or Au materials, promotes the production of carbon monoxide and on the other hand, the use of Al-based catalysts do not show activity for the electrocatalytic reduction of CO2 to chemical value-added products.